книги из ГПНТБ / Новопашин, А. А. Материалы на основе минеральных вяжущих конспект лекций

а) практически одинаковый коэффициент термического рас­ ширения (7ч -15- 10—6— у бетона и 1210~6 — устали);

б) хорошее сцепление (примерно 0,2 RCiii ) поверхностей бе­ тона и стали за счет заполнения цементным камнем всех неров­ ностей на поверхности арматуры, обжатия арматуры при высыха­ нии цементного геля и химического взаимодействия между окисью кальция цемента и окисью железа поверхностного слоя арма­ туры;

в) бетон защищает металл от коррозии за счет создания ще­

пример, из смеси песка, цемента и стальной стружки изготовля­ ют материал, получивший название стальбетон. По прочности на сжатие он не уступает некоторым магматическим горным породам, очень стоек на истирание и против ударных нагрузок. Применя­ ется стальбетон для покрытия полов в промышленных зданиях с интенсивным движением.

Все более широкое применение в строительстве приобретает армоцемент, из которого изготовляют тонкостенные оводыоболочки для перекрытия больших пролетов, например, промыш­ ленных зданий, зимних стадионов, выставочных павильонов и т. п. Изготовляют армоцемент из нескольких слоев металличе­ ской сетки, сцементированных цементно-песчаным раствором.

Комбинируя металлические стержни и сетки, изготовляют ар­ матурные каркасы, укладывают или устанавливают их в опалуб­ ку, которую потом заполняют бетонной смесью. Таким способом можно изготовить пространственный скелет сооружения, напри­ мер, многоэтажного здания, проемы в котором заполняются штучными материалами: кирпичом, блоками или панелями. Кон­ струкции, изготовляемые на месте их будущей службы и вклю­ чающие все необходимые элементы железобетонного сооруже­ ния, называются монолитными.

Однако армирование каркасами недостаточно эффективно, т. к. у бетона и стали имеется значительное различие в деформативной способности при действии нагрузки. Так, у бетона пре­ дельная деформация, по достижении которой следует разрушение,

пряжений дает удлинение на 0,0033-^-0,0066 мм/м. У стали же, в зависимости От ее особенностей, в стадии упругих деформаций предельная величина удлинения не превышает 0,001 мм/м на каждый килограмм нагрузки. Поэтому при загружении железо­ бетонной конструкции (принимая, что деформации в бетоне и ар­ матуре одинаковы) напряжения в арматуре нарастают быстрее, чем в бетоне (рис. 22а). Но к тому моменту, когда деформация бетона (Д /б ) достигнут предельной величины, за которой следу­

50

ет разрушение, напряжение в арматуре еще значительно (раз в 10) ниже расчетных (оа)(рис. 22а). Следовательно, для сохране­ ния целостности конструкции необходимо снижать величину рас­ четных напряжений в арматуре, т. е. идти на недопустимо большой перерасход металла либо соглашаться с тем, что в бетоне появятся

Рис. 22. Схематическое изображение

деформаций и напряжений в бетоне и арматуре:

а — простое армирование; 6 — армирова­ ние с предварительным напряжением ар­ матуры.

трещины, ускоряющие коррозию и арматуры и бетона. Кроме того, способность бетона сопротивляться растягивающим напря­ жениям при этом совершенно не используется.

Для того, чтобы создать условия для совместной работы ар­ матуры и бетона, видимо, следует арматуру натягивать, созда­ вая в «ей удлинение, как минимум равное величине(А/а —Д /б), (рис. 226). В этом случае в момент достижения бетоном пре­ дельных деформаций (или несколько ранее), напряжения в ар­ матуре достигнут расчетной величины (Ra ) и будут работать как одно целое. Таким способом можно уменьшить расход ар­ матуры, т. к. часть напряжений будет воспринимать бетон.

Проиллюстрируем >это примером. Предположим, что попе­ речное сечение арматуры (Fa ) составляет 5% от поперечного се­

мировании величина напряжения, отнесенного ко всему сечению растянутой зоны, составит 0,05-1500 = 75 кг/см2. Если напряжение

в бетоне в момент его разрушения равно R6 = 30 кг/см2, то, отнесенное ко всему сечению конструкции, оно составит: 0,95X X 30 = 28,5 кг/см2. Следовательно, участие бетона в сопротивле­ нии разрушающим напряжениям позволяет уменьшить сечение арматуры на 28,5 : 75-100 = 38%• Приведенный расчет носит сугубо ориентировочный характер, но в некоторых случаях, осо­ бенно при использовании высокопрочных бетонов и арматуры, он недалек от истины.

В строительной практике в настоящее время применяют не­ сколько способов армирования бетона.

Первый — наиболее распространенный способ, обычный — когда арматура в виде каркасов или сеток укладывается в фор­ му, которая потом заполняется бетонной смесью.

Второй способ — предварительное напряжение арматуры — когда арматура в виде стержней или канатов натягивается до соответствующего удлинения и в таком состоянии закрепляется на форме. В форму затем укладывается бетонная смесь, которая,_ затвердевая, фиксирует напряжение арматуры. Соответствующее' удлинение создают путем нагревания арматурных стержней или натягиванием их с помощью домкратов. Этот способ неудобен тем, что для его осуществления требуются массивные, очень жесткие формы, т. к. до затвердевания бетона они воспринима­ ют на себя все усилия растянутой арматуры. Поэтому иногда бетон армируют предварительно напряженными брусками из це­ ментно-песчаного раствора, в котором замоноличен натянутый стержень.

Третий способ — последующее напряжение арматуры. В этом случае сначала изготовляется бетонная часть конструкции, в которой оставляют отверстия или пазы для арматурных стерж­ ней. Эти стержни натягиваются домкратами и фиксируются по концам конструкции специальными зажимами. После этого для защиты арматуры от коррозии пазы или каналы в бетоне запол­ няются цементно-песчаным раствором.

В монолитном бетоне практически можно осуществить толь­ ко армирование брусками, о которых говорилось выше. Поэто­ му основная масса напряженно-армированного бетона изготовля­ ется на специальных заводах и полигонах железобетонных из­ делий (ЗЖБИ). (Полигон от завода отличается тем, что на нем нет здания, в котором осуществляются все технологические процессы, изготовление деталей производится под открытым не­ бом). Естественно, что изготовить на заводе и доставить к месту строительства какую-то сложную конструкцию, например кар­ кас здания, сложно, а иногда и просто невозможно; тогда ее из­ готовляют по частям. Так, на ЗЖБИ изготовляют колонны, баш­ маки колонн, балки, фермы, плиты покрытий, лестничные марши и т. и., из которых на месте строительства собирают конструкцию. Поэтому все многообразие изготовляемых на заводах деталей на­ зывают сборным железобетоном.

52

Технология сборного железобетона состоит из следующих операций:

а) приготовление бетонной смеси заданного состава; б) приготовление арматуры (подготовка арматурных стерж­

ней, сварка каркасов и т. п.); в) очистка и сборка форм;

г) укладка в формы каркасов и натяжение арматурных стерж­ ней;

д) заполнение формы бетонной смесью (чаще всего на виб­ ростоле, иногда с применением площадочных и глубинных вибра­ торов);

е) твердение бетона (обычно в пропарочных камерах при нор­ мальном давлении, иногда в автоклавах при повышенном дав­ лении или, редко, в естественных условиях);

ж) распалубка изделий, их осмотр и испытания органами

на специальном посту, куда форма переносится краном или пе­ редвигается по рельсам;

в) конвейерный — все операции проводятся на непрерывно движущемся конвейере в виде ленты или комплекса тележек; наиболее типичным в этом отношении является стан Козлова.

Сборный железобетон имеет ряд преимуществ перед монолит­ ным. Это:

—индустриализация процесса возведения сооружения;

—экономия материалов: цемента •— за счет использования жестких смесей, арматуры — за счет предварительного напря­ жения и опалубки — за счет увеличения оборачиваемости форм;

—ускорение ввода конструкций в частичную или полную

эксплуатацию;

— повышение надежности — за счет улучшения технического контроля. Существенным недостатком пока остается проблема стыка элементов конструкций и надежность их замоноличивания, но нет сомнения, что она будет успешно решена. Эта уве­ ренность обусловливает непрерывный рост доли сборного желе­ зобетона в общем объеме производства бетона в нашей стране и за рубежом.2

2. АСБОЦЕМЕНТ

Минерал — хризотил — 6M g0-4Si02-4H20, из которого со­ стоит горная порода — асбест, кристаллизуется в виде длинных прочных волокон, основой которых являются трубочки из

53

тетраэдров Si04-4. Связь между тетраэдрами Si04_44epe3 мостиковые кислороды Ьбусл'овливает высокую прочность кристаллов хризотила на растяжение, достигающую 30000 кг/см2. В произ­ водственных условиях разделить асбест на отдельные кристаллы не удается, и он используется в виде волоком, состоящих из большого количества кристаллов. Часть кристаллов в волокнах повреждена при раопушке асбеста; кроме того, в самом волокне кристаллы под нагрузкой могут смещаться относительно друг друга, поэтому прочность волокон на растяжение не превыша­ ет 100004-15000 кг/см2. Но и'такая прочность достаточно высо­ ка. Если к этому добавить, что асбест не поддается химической коррозии, то нельзя не признать его хорошим армирующим ма­ териалом в цементном камне. Распушенный асбест хорошо адсор­ бирует СаО, что обеспечивает его хорошую оцепляемость с портландцементным камнем, особенно полученным на основе алитовых цементов. Обычно для изготовления асбоцемента применяют спе­

Асбоцементные изделия приготовляют из смеси 884-90% це­ мента и 104-12% асбеста ( по весу). К смеси добавляют воду до получения влажной или жидко-текучей массы, из которых фор­ муют изделия: прессованием — из влажной массы или на специальных машинах по способу, аналогичному приготовлению картона. Отформованные изделия твердеют в пропарочных ка­ мерах или ваннах с горячей водой.

Получаемый таким способом материал имеет прочность на растяжение (в зависимости от уплотнения) 1004-350 кг/см2 или 1504-600 кг/см2 — при изгибе и 300-:-1300 кг/см2 — при сжатии.

Из асбоцемента изготовляют плоские плитки (эторнит) и волнистые листы (асбошифер) — для кровли жилых и общест­ венных зданий, плоские листы (асбофанера) — для обшивки стен зданий, устройства перегородок и изготовления стеновых панелей ь композиции с теплоизоляционными материалами, фасонные ли­ сты— для панелей бесчердачных покрытий промышленных зда­ ний, асбоцементные трубы — для водопровода, канализации, га­ зопроводов и подземных коммуникаций кабельной сети.

3.ПОЛИМЕРЦЕМЕНТНЫЕ БЕТОНЫ

Цементный камень в бетоне обладает значительной хрупко­ стью и поэтому плохо противостоит ударным нагрузкам, а также не обладает достаточной прочностью при растяжении. Армирова­ ние металлом и асбестом в некоторой степени, но далеко не пол­ ностью, устраняет этот недостаток.

Полимерные смолы, наоборот, обладают высокой эластично­ стью, но не имеют достаточной твердости. Очевидно, от соедине-

54

ния этих материалов можно ожидать положительный эффект, особенно в отношении повышения ударной вязкости бетона.

Цементный камень можно представить как твердое тело, про­ низанное во всех направлениях сообщающимися между собою порами. Если эти поры заполнить смолой, то можно получить ма­ териал, образованный двумя взаимно пронизывающими друг дру­ га пространственными каркасными структурами. Изменяя соот­ ношение между количествами цемента иполимера, можно изме­ нять свойства материала в нужном направлении. Чаще всего при изготовлении полимерцементных бетонов стремятся увеличить соотношение между прочностью при растяжении и сжатии, повы­ сить стойкость бетона против ударных воздействий, повысить стойкость против коррозии, повысить трещиностойкость бетона и т. п. Арматура в полимерцементных бетонах, в отношении воздей­ ствия внешней среды, находится в лучших условиях. Прочность бетона при добавке полимерных смол несколько понижается, но это с лихвой компенсируется повышением прочности при растя­ жении и изгибе.

Армопластбетоны целесообразно использовать в конструкциях, работающих в агрессивной среде: в конструкциях химической промышленности, цветной металлургии, в гидротехническом и подземном строительстве, при возведении резервуаров и трубо­ проводов, в аэродромных и дорожных покрытиях, полах промыш­ ленных зданий и др.

Различают две группы полимерных добавок к цементным бе­ тонам:

а) эмульсии, вводимые в виде водной дисперсииполимеров, обладающих высокой эластичностью, например, эмульсии на ос­ нове поливинилацетата (ПВАЭ) или синтетического каучука—по- ливинилстирольного латекса;

б) водорастворимые термореактивные смолы, например, фе­ нольные, карбамидные, эпоксидные и т. д. Добавка полимеров составляет примерно 20% от веса цемента. При твердении тако­ го бетона в сухой среде прочность бетона на растяжение при из­ гибе увеличивается в 24-3 раза, при осевом растяжении — в 4-:-8 раз, на сжатие — на 354-40%• Во влажной среде прочность полимерцементных бетонов несколько ниже прочности обыч­ ных бетонов.

Широкое применение полимерцементных бетонов ограничива­ ется высокой стоимостью полимеров.

VI. ХИМИЧЕСКИ СТОЙКИЕ БЕТОНЫ

Строительные конструкции предприятий химической, метал­ лургической и даже пищевой промышленности подвергаются действию более или менее концентрированных растворов кислот, солей и оснований. Более того, в некоторых случаях бетоны при­ меняются для изготовления емкостей и хранилищ для различных

55

химических продуктов. В соответствии с характером действую­ щего вещества выбирается и соответствующий состав бетона. Общим требованием для всех химически стойких бетонов явля­ ется максимальная плотность, достигаемая путем снижения В/Ц, тщательным подбором гранулометрии крупного и мелкого запол­ нителей, тщательностью укладки бетона и применением гидро­ фобных добавок.

а) Кислотоупорный бетон.

Стойкость бетонов против действия кислот определяется кон­ центрацией кислоты и степенью ее диссоциации, химической ак­ тивностью минералов, составляющих бетон, и характером обра­ зующихся продуктов реакции. Кислотостойкими являются ангид­ риды и соли сильных кислот. Так, например, кислотоупорный цемент состоит из смеси 85% молотого кварцевого песка или кислых магматических горных пород и 15% кремнефтористого натрия. При затворении порошка жидким стеклом

Na2Si Fe + Si02 + Na20 • п Si02 • т Н20 NaF + Si(0H)4-f-Si02

образуются соль сильной кислоты — NaF и гель кремневой ки­ слоты. Оба эти вещества не взаимодействуют с кислотами, и поэто­ му кислотоупорный цемент способен противостоять действию сильных кислот, таких, как соляная, серная и азотная, за исклю­ чением плавиковой, которая растворяет кремнезем. Фтористый натрий довольно хорошо растворяется в воде (40 г/л). Вслед­ ствие этого бетон на кислотоупорном цементе разрушается в во­ де, в растворах слабых (например, органических) и в разведен­ ных сильных кислотах.

Большое значение для кислотостойкое™ имеет раствори­ мость в воде продуктов реакции минералов бетона с кислотами. Во многих случаях образующиеся нерастворимые в воде соли уп­ лотняют бетон, уменьшая тем самым его проницаемость для кислот. Так, например, соли бария, взаимодействуя с серной кис­ лотой, образуют нерастворимый BaS04. Многие кальциевые со­ ли органических кислот тоже нерастворимы в воде, что позволя­ ет использовать в хранилищах пищевой промышленности бетон на пуццолановом портландцементе и кремнеземистых заполни­ телях.

б) Щелочестойкие бетоны

Сильные щелочи КОН и NaOH растворяют аморфный и тонкоизмельченный кристаллический кремнезем; они могут рас­ творить и тон'кодисперсные алюмосиликаты. Поэтому наи­ большей щелочестойкостью обладают карбонатные породы — в качестве крупного и мелкого заполнителей и белитово-браунмил- леритовый портландцемент — в качестве вяжущего. Кремнеземи­ стые заполнители, особенно содержащие аморфную кремневую киелоту и примесь глины, не допускаются; применение алюминатных цементов также нежелательно.

56

Требования к плотности и водонепроницаемости бетона сохра­ няются.

в) Солестойкие бетоны Минеральные соли опасны для бетона, потому что, взаимо­

действуя с минералами цементного камня, они могут образовы­ вать комплексные соединения, разрушающие бетон. Это отно­ сится, главным образом, к сульфатам, которые с Са(ОН)г и С3А образуют гидросульфоалюминат кальция (цементная бацил­ ла).

Хлориды опасны тем, что вызывают коррозию арматуры. Для защиты от действия сульфатных вод применяют сульфатостой­ кий портландцемент, а при высоких концентрациях соли — суль­ фатно-шлаковый цемент. Что касается заполнителей, то в суль­ фатостойких бетонах особых требований к ним не предъявляется, если не говорить о гранулометрии, плотности породы и отсут­ ствии алюминатов, которые могут присутствовать, например, в шлаках.

VII. ЖАРОСТОЙКИЕ БЕТОНЫ

Жаростойкие бетоны предназначены для работы при воздей­ ствии высоких температур в различных тепловых агрегатах: су­ шилках, печах, толках и т. п. В зависимости от рабочей темпера­ туры выбираются составные части бетона: вяжущие и заполни­ тели. ■

а) Вяжущие Бетоны на обычных портландцементах при нагревании выше

200° С начинают терять часть своей прочности вследствие дегид­ ратации основных минералов портландцементного камня. При температуре 175° С дегидратируется гидросульфоалюминат, при 350° С — гидроалюминаты, при 525° С — гидроокись кальция, при 650-^750° С — гидросиликаты. Поэтому портландцемент можно применять в чистом виде только до 350° С.

Для бетонов, предназначенных для службы при более высо­ ких температурах, применяют смесь портландцемента с глиной или тонкомолотым шамотом, которая, овазывая свободную из­ весть, не дает ей разрушать материал при временных'останов­ ках теплового агрегата, а также способствует повышению -проч­ ности при обжиге. Портландцементные бетоны с такой добавкой могут служить при температурах до .1200° С, но обычно выше 800° С их не применяют.

В бетонах, служба которых связана с действием температур от 800 до 1200° С, в качестве вяжущего используют кислотоупор­ ный цемент, затворяемый на жидком стекле, или обычный гли­ ноземистый цемент.

При температурах от 1200 до 1600° С применяют высокогли­ ноземистый цемент или фосфатные вяжущие, получаемые затворением окислов металлов в ортофосфорной кислоте. Чаще всего

57

в фосфатных вяжущих используют периклаз й корунд (высоко­ температурные модификации MgO и А120 3), которые с ортофосфорной кислотой образуют соединения Mg3(P 04)2 и А1Р04, пла­ вящиеся при температуре более 2000° С. Ортофосфорную кислоту полезно добавлять к глиноземистым цементам для ускорения их твердения и увеличения прочности и огнеупорности.

б) Заполнители В жароупорных бетонах в качестве заполнителей применяют

материалы, обладающие достаточной огнеупорностью и не раз­

устойчивость Или стойкость против разъедающего действия флю­ сов или металла, применяют: до 700-f-800° С кирпичный бой, до 1200° С — бой шамотного'кирпича, до 1400° С — бой шамотного или магнезитового кирпича, а до 1600° С — высокоглиноземи­ стый, корундовый или хромитовый мелкий и крупный заполните­ ли. Для специальных условий применяют другие заполнители, подбирая их применительно к характеру внешних воздействий.

Жароупорные бетоны могут применяться либо в виде штуч­ ных деталей различной формы и размеров, либо по технологии монолитного бетона.

Сейчас разрабатываются и начинают применяться ячеистые жаростойкие бетоны с использованием перечисленных выше вя­ жущих.

VIII. СТРОИТЕЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Строительными растворами называют искусственные пластич­ ные смеси вяжущего и мелкого заполнителей, обладающие спо­ собностью затвердевать и связывать между собою элементы кон­ струкций или улучшать их свойства.

По применению строительные растворы можно подразделить на две группы:

а) растворыгдля каменной кладки, основным назначением которых является соединение друг с другом в монолит отдельных камней, штучных изделий и строительных деталей;

б) растворы для штукатурки, которыми покрывается поверх­ ность конструкций для придания им специальных свойств (деко­ ративных, гидро- и теплоизоляционных, акустических и т. п.) или для выравнивания поверхности'перед проведением отделоч­ ных работ.

По составу строительные растворы подразделяют на простые, состоящие из вяжущего и мелкого заполнителя, и сложные, ког­ да в состав раствора входят два вяжущих, например, цемент и

58

известь и заполнитель. Состав раствора выражают соотношени­ ем.

Простой раствор — цемент : песок = 1 : п.

Сложный раствор — цемент : добавка : песок = 1 : т : п. В зависимости от прочности растворы подразделяют на мар­ ки: «4», «10», «25», «50», «75», «100» и «150». По морозостойкости растворы также подразделяются на марки: Мрз— 10, Мрз — 15 и

так далее до Мрз — 300.

Важнейшим свойством строительных растворов является пластичность, т. е. способность изменять свою форму под влия­ нием внешних сил без нарушения сплошности и однородности. Пластичность зависит от консистенции (густоты) раствора, кото­ рая регулируется добавкой воды. Измеряют консистенцию вели­ чиной погружения в раствор специального конуса, выраженной в сантиметрах.

Пластичность раствора в значительной степени определяется его водоудерживающей способностью, т. е. способностью не рас­ слаиваться при кратковременной выдержке и транспортировке и сохранять воду в достаточном для гидратации цемента количестве при отсосе ее пористыми материалами, из которых производит­ ся кладка или на которые наносится штукатурка. Водоудержи­ вающая способность раствора зависит от содержания в нем вя­ жущих веществ и поверхностно-активных добавок, повышающих адсорбционную способность зерен заполнителя.

Пластичность раствора определяет удобоукладываемость, т. е. способность раствора распределяться тонким слоем по по­ верхности конструкции или замоноличиваемых раствором строи­ тельных деталей. Удобоукладываемость раствора определяется содержанием в смеси вяжущего вещества и воды, а также круп­ ностью зерен заполнителя. Чем жирнее раствор, т. е. чем больше в нем цементного теста и чем мельче заполнитель, тем лучше удобоукладываемость раствора, тем тоньше и ровнее можно сделать швы в кладке или покрытие при штукатурке; чем лучше удобоукладываемость раствора, тем выше производительность труда каменщиков и штукатуров.

Удовлетворительная пластичность строительных растворов получается при соотношении цемент : песок, равном 1 : 3 по объему или 1 : 4 по весу. При введении в раствор 0,5т-0,2% по­ верхностно-активных веществ, таких, как мылонафт, омыленные жирные кислоты, сульфит-апиртовая барда, и некоторых других это соотношение можно увеличить до 1: 4-т5.

В современных условиях, когда основным и наиболее деше­ вым вяжущим стал портландцемент, все более проявляет себя несоответствие требований прочности строительных растворов и их пластичности. Так, при использовании цемента марки «300» для получения раствора марки «25» достаточен его расход око­ ло 100 кг на 1 м3 песка, тогда как для обеспечения нужной пла­ стичности требуется расход вяжущего примерно 300 кг/м3, при

59